CN105302943A - 一种偏置电压显性相关的失配模型及其提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏置电压显性相关的失配模型及其提取方法，该方法包括如下步骤：步骤一，设计失配模型的器件结构；步骤二，测量与器件尺寸、工作电压相关的失配模型数据；步骤三，建立及修改尺寸相关的器件失配模型；步骤四，对尺寸相关的失配模型进行曲线拟合；步骤五，判断仿真结果与数据拟合是否OK，如否，则返回步骤三，如是，则进入步骤六；步骤六，建立及修改偏置电压相关的器件失配模型；步骤七，对电压相关的失配模型进行曲线拟合；步骤八，判断仿真结果与数据拟合是否OK，如否，则返回步骤六，如是，则进入步骤九；步骤九，进行失配模型验证；本发明能够反映器件在不同电压下的失配模型特性，适用性更广。

Description

一种偏置电压显性相关的失配模型及其提取方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路器件失配模型，特别是涉及一种偏置电压显性相关的失配模型及其提取方法。

背景技术

随着半导体制造技术的不断进步,CMOS工艺器件制造工艺已经发展到了深亚微米，元件尺寸不断减小，集成电路结构及版图复杂化程度不断提高，器件彼此之间不匹配现象也随之越来越严重，从而在一定程度上影响到射频/模拟集成电路的性能，甚至会导致电路不能正常工作。两个邻近器件特性的不匹配，主要是因为工艺生产过程中的随机性和不可控制的变化。而且器件在不同的工作状态下，比如以MOS(金属氧化物半导体场效应管)为例，当栅极(gate)、漏极(drain)、衬底(body)的电压不同时，对于器件的界面态而言是不同的，所呈现的失配情况也是有一定影响的。这一失配现象会影响到多路模拟系统、差分对、电流镜、带隙基准电压源、A/D转换器、D/A转换器这些基本的模拟电路单元结构；在数字系统中，匹配也同样重要。在不同工作电压下，器件的失配特性现在引起了设计者很大的关注。所以引入一个精确的、与偏置电压显性相关的失配模型对于电路设计工程师来说，是非常重要的。

在器件失配建模的过程中，目前常用的方法是使用与器件尺寸相关的方法来表征器件的失配模型。图1为现有技术中器件失配模型架构的建立子程序图。该器件失配模型建立步骤如下：

第一步，设置模型常数，以NMOS管为例进行说明，子电路模型为nmos_mis(dgsb)，其中参数分别为漏极d、源极g、漏极s、衬底b，沟道长l单位为1e-6即1um(1e^-6、10^-6)，沟道宽w单位为1e-6即1um(1e^-6、10^-6)，失配仿真开关mismod为1即开启，随机数组sig_mis为高斯序列aguass(0,1,1)，失配系数misa为常数，经验值0.36139；

第二步，设置模型参数，几何因子geo_fac和阈值失配变化量vth_mis分别采用如下公式计算：

$geo\_fac=1/\sqrt{w\×l\×{10}^{12}}$

vth_mis＝misa×geo_fac×sigma_mis×mismod

第三步，设置失配变化量并进行仿真，选择阈值vth作失配变化量，其初值为

vth0＝0.4+vth_mis

最后，代入失配模型进行仿真计算，图中失配模型为nrvtnmos。

可见，在现有的失配模型中，通常只考虑了器件的某些特性(如线性电流、饱和电流和线性阈值、饱和阈值等)的失配系数与器件尺寸的关系，而对于其他偏置电压下的其他特性的失配系数，只是在紧凑模型中隐性做了一些考虑。但是这种方法并不准确，有时甚至会有较大误差。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种偏置电压显性相关的失配模型及其提取方法，其通过在已有失配模型的基础上增加与偏置电压相关的函数，实现了一种添加了与电压显性相关的、更为合理的失配模型，本发明能够与实际器件在不同尺寸、不同偏置电压条件下的失配系数进行曲线拟合，从而建立更为精确的失配模型，其能够反映器件在不同电压下的失配模型特性，从而使得本发明适用性更广。

为达上述及其它目的，本发明提出一种偏置电压显性相关的失配模型，在原有失配模型中加入与偏置电压相关的函数，通过调整与偏置电压显性相关的失配模型参数，使得该失配模型可以准确表征与器件尺寸、实际偏置电压的关系。

进一步地，在原有失配模型中加入如下失配模型公式：

${\mathrm{\σ}}_P^2=\frac{1}{w\×l\×{\mathrm{vgs}}^{mis\_alpha}\×{\mathrm{vds}}^{mis\_beta}\×{\mathrm{vbs}}^{mis\_r}}$

其中，w、l分别为MOS管宽、长，vgs是栅源电压，vds是漏源电压，vbs是衬底电压，mis_alpha、mis_beta、mis_r为栅源电压vgs失配系数、漏源电压vds失配系数、衬底电压vbs失配系数。

进一步地，该失配模型中，几何因子geo_bias_fac和阈值失配变化量vth_mis分别采用如下公式计算

$geo\_bias\_fac=1/\sqrt{w\×l\×{10}^{12}\×pwr(vgs,mis\_alpha)\×pwr(vds,mis\_beta)\×pwr(vbs,mis\_r)}$

vth_mis＝misa×geo_bias_fac×sigma_mis×mismod

其中geo_bias_fac即失配模型公式的平方根，即geo_bias_fac＝σ_P(本式中w、l单位m)，w、l分别为MOS管宽、长(上式中单位um)，vgs是栅源电压，vds是漏源电压，vbs是衬底电压，mis_alpha、mis_beta、mis_r为栅源电压vgs失配系数、漏源电压vds失配系数、衬底电压vbs失配系数。

进一步地，mis_alpha、mis_beta、mis_r的经验值分别为0.2、0.15、0.1。

为达到上述目的，本发明还提供一种偏置电压显性相关的失配模型的提取方法，包括如下步骤：

步骤一，设计失配模型的器件结构；

步骤二，测量与器件尺寸、工作电压相关的失配模型数据；

步骤三，在给定电压下建立及修改尺寸相关的器件失配模型；

步骤四，对尺寸相关的失配模型进行曲线拟合；

步骤五，判断仿真结果与数据拟合是否OK？如否，则返回步骤三，如是，则进入步骤六；

步骤六，在给定尺寸下建立及修改偏置电压相关的器件失配模型；

步骤七，对电压相关的失配模型进行曲线拟合；

步骤八，判断仿真结果与数据拟合是否OK？如否，则返回步骤六，如是，则进入步骤九；

步骤九，进行失配模型验证。

进一步地，于步骤二中，该参数包括表征器件性能的阈值电压、饱和电流。

进一步地，于步骤四中，通过对测量曲线添加趋势线，使模型仿真出来的点形成的趋势线的斜率去匹配测量趋势线斜率，达到拟合的效果。

进一步地，于步骤九中，对模型进行连续性、稳定性验证，以保证整个模型的可使用性。

进一步地，于步骤三中，该失配模型为

$geo\_fac=1/\sqrt{w\×l\×{10}^{12}}.$

其中，w、l分别为MOS管宽、长。

进一步地，于步骤六中，该失配模型为

$geo\_bias\_fac=1/\sqrt{w\×l\×{10}^{12}\×pwr(vgs,mis\_alpha)\×pwr(vds,mis\_beta)\×pwr(vbs,mis\_r)}$

其中，w、l分别为MOS管宽、长，vgs是栅源电压，vds是漏源电压，vbs是衬底电压，mis_alpha、mis_beta、mis_r为栅源电压vgs失配系数、漏源电压vds失配系数、衬底电压vbs失配系数。

与现有技术相比，本发明一种偏置电压显性相关的失配模型及其提取方法在在有只与器件尺寸相关的失配模型中加入与器件在不同状态下偏置电压分别相关的函数公式，就可以非常灵活地根据实际测量的特性曲线，从而很好地拟合不同电压下的特性曲线，建立更为精准且实用性更广的器件失配模型。

附图说明

图1为现有技术中器件失配模型架构的建立子程序图；

图2为本发明一种偏置电压显性相关的失配模型架构建立的子程序图；

图3为本发明一种偏置电压显性相关的失配模型的提取方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图2为本发明一种偏置电压显性相关的失配模型架构建立的子程序图。本发明之偏置电压显性相关的失配模型，在原有模型中加入与偏置电压相关的函数，通过调整与偏置电压显性相关的失配模型参数，可以使得本发明的失配模型可以准确表征与器件尺寸、实际偏置电压的关系，从而建立更为精确且更实用的失配模型。本发明之偏置电压显性相关的失配模型建立过程如下：

第一步，设置模型常数，以NMOS管为例进行说明，子电路模型为nmos_mis(dgsb)，其中参数分别为漏极d、源极g、漏极s、衬底b，沟道长l单位为1e-6即1um(1e^-6、10^-6)，沟道宽w单位为1e-6即1um(1e^-6、10^-6)，失配仿真开关mismod为1即开启，随机数组sig_mis为高斯序列aguass(0,1,1)，失配系数misa为常数，经验值0.36139；

第二步，建立新的失配模型公式：

${\mathrm{\σ}}_P^2=\frac{1}{w\×l\×{\mathrm{vgs}}^{mis\_alpha}\×{\mathrm{vds}}^{mis\_beta}\×{\mathrm{vbs}}^{mis\_r}}$

其中，w、l分别为MOS管宽、长，vgs是栅源电压，vds是漏源电压，vbs是衬底电压，mis_alpha、mis_beta、mis_r为栅源电压vgs失配系数、漏源电压vds失配系数、衬底电压vbs失配系数；

第三步，设置模型参数，失配函数geo_bias_fac(为与器件宽长及偏置电压相关的几何因子)和阈值失配变化量vth_mis分别采用如下公式计算

$geo\_bias\_fac=1/\sqrt{w\×l\×{10}^{12}\×pwr(vgs,mis\_alpha)\×pwr(vds,mis\_beta)\×pwr(vbs,mis\_r)}$

vth_mis＝misa×geo_bias_fac×sigma_mis×mismod

其中geo_bias_fac即失配模型公式的平方根，即geo_bias_fac＝σ_P(本式中w、l单位m)，w、l分别为MOS管宽、长(上式中单位um)，vgs是栅源电压，vds是漏源电压，vbs是衬底电压，函数pwr(vgs,mis_alpha)、pwr(vds,mis_beta)、pwr(vbs,mis_r)是求幂，即分别为vgs^mis_alpha、vds^mis_beta、vbs^mis_r，mis_alpha、mis_beta、mis_r为栅源电压vgs失配系数、漏源电压vds失配系数、衬底电压vbs失配系数，经验值分别为0.2、0.15、0.1。

第四步，设置失配变化量并进行仿真，选择阈值vth作失配变化量，其初值为

vth0＝0.4+vth_mis。

第五步，代入失配模型进行仿真计算，本实施例为失配模型为nrvtnmos。

可见，与现有技术相比，本发明中几何因子geo_bias_fac的计算公式与现有技术的不同，其在原有只与器件尺寸相关的失配模型中加入与器件在不同状态下偏置电压分别相关的函数公式，就可以非常灵活地根据实际测量的特性曲线，从而很好地拟合不同电压下的特性曲线，建立更为精准且实用性更广的器件失配模型。

图3为本发明一种偏置电压显性相关的失配模型的提取方法的步骤流程图。如图3所示，本发明一种偏置电压显性相关的失配模型的提取方法，包括如下步骤：

步骤301，设计失配模型的器件结构。

步骤302，测量与器件尺寸、工作电压相关的失配模型数据如表征器件性能的阈值电压、饱和电流等。

步骤303，在给定电压下建立及修改尺寸相关的器件失配模型。该失配模型为 $geo\_fac=1/\sqrt{w\×l\×{10}^{12}}.$

步骤304，对尺寸相关的失配模型进行曲线拟合，通过对测量曲线添加趋势线，使模型仿真出来的点形成的趋势线的斜率去匹配测量趋势线斜率，达到拟合的效果。

步骤305，判断仿真结果与数据拟合是否OK？如否，则返回步骤303，如是，则进入步骤306。

步骤306，在给定尺寸下建立及修改偏置电压相关的器件失配模型。即， $geo\_bias\_fac=1/\sqrt{w\×l\×{10}^{12}\×pwr(vgs,mis\_alpha)\×pwr(vds,mis\_beta)\×pwr(vbs,mis\_r)}$

vth_mis＝misa×geo_bias_fac×sigma_mis×mismod

其中geo_bias_fac即失配模型公式的平方根，即geo_bias_fac＝σ_P(本式中w、l单位m)，w、l分别为MOS管宽、长(上式中单位um)，vgs是栅源电压，vds是漏源电压，vbs是衬底电压，函数pwr(vgs,mis_alpha)、pwr(vds,mis_beta)、pwr(vbs,mis_r)是求幂，即分别为vgs^mis_alpha、vds^mis_beta、vbs^mis_r，mis_alpha、mis_beta、mis_r为栅源电压vgs失配系数、漏源电压vds失配系数、衬底电压vbs失配系数，经验值分别为0.2、0.15、0.1。

步骤307，对偏置电压相关的失配模型进行曲线拟合。

步骤308，判断仿真结果与数据拟合是否OK？如否，则返回步骤306，如是，则进入步骤309。

步骤309，进行失配模型验证，对模型进行连续性、稳定性验证，以保证整个模型的可使用性。

在本发明较佳实施例中，以MOS为例，首先根据设计的版图出来的wafer进行测量，包括不同Vgs，Vds,Vbs。然后对测量数据进行分析，首先会对固定电压条件下测量的数据，调整与器件尺寸相关的函数系数。然后开始调整与电压相关的函数系数，固定器件的尺寸，固定Vds，Vbs，测量不同的Vgs，可以得到与gate电压相关f(gs)的系数mis_alpha，固定Vgs,Vbs，测量不同的Vds，可以得到与drain电压相关f(ds)的系数mis_beta，接着固定器件的尺寸，固定Vds,Vgs，测量不同的Vbs，可以得到与gate电压相关f(bs)的系数mis_r，这样我们就可以得到与电压相关的失配模型，设计者就可以通过仿真该模型了解器件在不同电压情况的失配情况，使失配模型实用性更广。

可见，本发明一种偏置电压显性相关的失配模型及其提取方法在在有只与器件尺寸相关的失配模型中加入与器件在不同状态下偏置电压分别相关的函数公式，就可以非常灵活地根据实际测量的特性曲线，从而很好地拟合不同电压下的特性曲线，建立更为精准且实用性更广的器件失配模型。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种偏置电压显性相关的失配模型，其特征在于：在原有失配模型中加入与偏置电压相关的函数，通过调整与偏置电压显性相关的失配模型参数，使得该失配模型可以准确表征与器件尺寸、实际偏置电压的关系。

2.如权利要求1所述的一种偏置电压显性相关的失配模型，其特征在于：在原有失配模型中加入如下失配模型公式：

$\frac{1}{w\×l\×{\mathrm{vgs}}^{mis\_alpha}\×{\mathrm{vds}}^{mis\_beta}\×{\mathrm{vbs}}^{mis\_r}}$

其中，w、l分别为MOS管宽、长，vgs是栅源电压，vds是漏源电压，vbs是衬底电压，mis_alpha、mis_beta、mis_r为栅源电压vgs失配系数、漏源电压vds失配系数、衬底电压vbs失配系数。

3.如权利要求1所述的一种偏置电压显性相关的失配模型，其特征在于：该失配模型中，几何因子geo_bias_fac和阈值失配变化量vth_mis分别采用如下公式计算

$geo\_bias\_fac=1/\sqrt{w\×l\×{10}^{12}\×pwr(vgs,mis\_alpha)\×pwr(vds,mis\_beta)\×pwr(vbs,mis\_r)}$

vth_mis＝misa×geo_bias_fac×sigma_mis×mismod

其中geo_bias_fac为失配模型公式的平方根，即geo_bias_fac＝σ_P，w、l分别为MOS管宽、长，vgs是栅源电压，vds是漏源电压，vbs是衬底电压，mis_alpha、mis_beta、mis_r为栅源电压vgs失配系数、漏源电压vds失配系数、衬底电压vbs失配系数。

4.如权利要求3所述的一种偏置电压显性相关的失配模型，其特征在于：mis_alpha、mis_beta、mis_r的范围在(0,1)之间。

5.一种偏置电压显性相关的失配模型的提取方法，包括如下步骤：

步骤一，设计失配模型的器件结构；

步骤二，测量与器件尺寸、工作电压相关的失配模型数据，得到表征器件性能的参数；

步骤三，在给定电压下建立及修改尺寸相关的器件失配模型；

步骤四，对尺寸相关的失配模型进行曲线拟合；

步骤五，判断仿真结果与数据拟合是否OK？如否，则返回步骤三，如是，则进入步骤六；

步骤六，在给定尺寸下建立及修改偏置电压相关的器件失配模型；

步骤七，对电压相关的失配模型进行曲线拟合；

步骤八，判断仿真结果与数据拟合是否OK？如否，则返回步骤六，如是，则进入步骤九；

步骤九，进行失配模型验证。

6.如权利要求5所述的一种偏置电压显性相关的失配模型的提取方法，其特征在于：于步骤二中，该参数包括表征器件性能的阈值电压、饱和电流。

7.如权利要求5所述的一种偏置电压显性相关的失配模型的提取方法，其特征在于：于步骤四中，通过对测量曲线添加趋势线，使模型仿真出来的点形成的趋势线的斜率去匹配测量趋势线斜率，达到拟合的效果。

8.如权利要求5所述的一种偏置电压显性相关的失配模型的提取方法，其特征在于：于步骤九中，对模型进行连续性、稳定性验证，以保证整个模型的可使用性。

9.如权利要求5所述的一种偏置电压显性相关的失配模型的提取方法，其特征在于：于步骤三中，该失配模型为

$geo\_fac=1/\sqrt{w\×l\×{10}^{12}}.$

其中，w、l分别为MOS管宽、长。

10.如权利要求5所述的一种偏置电压显性相关的失配模型的提取方法，其特征在于：于步骤六中，该失配模型为

$geo\_bias\_fac=1/\sqrt{w\×l\×{10}^{12}\×pwr(vgs,mis\_alpha)\×pwr(vds,mis\_beta)\×pwr(vbs,mis\_r)}$

其中，w、l分别为MOS管宽、长，vgs是栅源电压，vds是漏源电压，vbs是衬底电压，mis_alpha、mis_beta、mis_r为栅源电压vgs失配系数、漏源电压vds失配系数、衬底电压vbs失配系数。